CN110655080B - 一种具有选择性杀灭癌细胞功能的无氧化Ti3C2量子点及其制备方法与应用 - Google Patents

一种具有选择性杀灭癌细胞功能的无氧化Ti3C2量子点及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有选择性杀灭癌细胞功能的无氧化Ti3C2量子点及其制备方法与应用，该量子点的平均尺寸只有7nm左右，完全无氧化，并且没有任何的重金属等有毒元素，该量子点对癌细胞具有广谱性的抑制及杀灭作用，而对人体正常干细胞则表现出优秀的生物相容性和极低细胞毒性。本发明的无氧化Ti3C2量子点在未来抗击及战胜癌症的道路上具有巨大的应用潜力。同时，该量子点具有快速自发的水分散特性。在配制其水分散液时，无需任何超声和搅拌处理，十分有利于生物或医学上的直接应用。

Description

一种具有选择性杀灭癌细胞功能的无氧化Ti3C2量子点及其制 备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种通过新的“微***”方法获得的无有毒元素、无氧化的Ti3C2量子点，在对人体正常干细胞表现出很好的生物相容性的基础上，具有抑制及杀灭癌细胞的功能，属于纳米技术领域。
背景技术
癌症，是人类至今为止仍然没有被攻克的顽疾，且发病率越来越高，成为人们生命安全的一个潜在威胁。众所周知，肿瘤的术疗、放疗、化疗和生物治疗的四大疗法中，化疗仍是主要的治疗手段，但现有的化疗药物抗肿瘤活性有限，且表现出极为严重的副作用，价格昂贵。因此，探究无毒副作用且具有好的抗肿瘤效果的药物具有重大意义，这也成为抗肿瘤领域的新目标，备受世界各国科学家的普遍关注。
Ti3C2量子点是以一种新型的二维晶体材料Ti3C2为基材制备获得，被受广泛关注。例如：中国专利文件CN108611651A公开了一种Ti3C2量子点的电化学制备方法，中国专利文件CN110013869A公开了一种氮化碳纳米片负载碳化钛量子点及其制备方法和应用；中国专利文件CN110068675A公开了一种基于光热及免疫功能化脂质体构建的便携式热成像免疫分析方法，中国专利文件 CN108159438A公开了一种癌症诊断的光声成像对比剂及其制备方法和应用。
由于Ti3C2量子点具有容易被氧化的特性，Ti3C2量子点中的Ti3+会被氧化成 Ti4+，尤其在高温下，氧化速度极快。上述专利文件所涉及的Ti3C2量子点由于制备方法非低温限制，不可避免的会引起Ti3C2量子点的氧化。
目前，完全无氧化Ti3C2量子点的制备未曾报道，并且制备的无氧化Ti3C2量子点具有选择性抑制及杀灭癌细胞的特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有选择性杀灭癌细胞功能的完全无氧化Ti3C2量子点及其制备方法与应用。
术语说明：
微***：本发明所述的微***是指在极端温差作用下，基于水产生的水封效果，微观物质形成密闭空间，而引发的微型***。
本发明的技术方案如下：
一种具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点，该Ti3C2量子点完全无氧化，且不含有毒重金属元素。
根据本发明，优选的，所述的Ti3C2量子点的尺寸范围为2-15nm，平均尺寸为7nm左右；进一步优选的，微观形貌呈规则的圆盘形。
根据本发明，所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，包括步骤如下：
将Ti3C2基材与液氮混合，使液氮插层Ti3C2并不断蒸发，在液氮蒸发完毕前迅速加入热水并不断搅拌，得到水悬浮液；将水悬浮液过滤，冷冻干燥，即得Ti3C2量子点。
根据本发明，优选的，Ti3C2基材、液氮和热水的摩尔比为(10-20)：(40-50)： (40-50)。
根据本发明，优选的，热水的温度为90-100℃。
根据本发明，优选的，搅拌的速率为400-600r/min，搅拌时间为15-30h。
根据本发明，优选的，过滤采用孔径为220nm的滤膜过滤。
根据本发明，所述的Ti3C2基材为二维材料Ti3C2(MXene)，可按现有技术制备得到，优选通过氢氟酸刻蚀MAX相Ti3AlC2中的Al层得到，是一种新型MXene二维材料，具有特殊的手风琴状的微观结构。
根据本发明，具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，一种优选的实施方式，所用原料及其含量按摩尔份数如下：
Ti3C2 10-20份
液氮 40-50份
去离子水 40-50份；
所述的Ti3C2是通过氢氟酸刻蚀MAX相Ti3AlC2中的Al层所获得的一种新型MXene二维材料，具有特殊的手风琴状的微观结构；
包括步骤如下：
(1)将二维材料Ti3C2(MXene)置于聚四氟乙烯烧杯中，将液氮倒入烧杯中并在室温下保持2-5分钟；在此过程中，液氮将插层Ti3C2并伴随着不断蒸发；
(2)烧杯中液氮不断蒸发，在蒸发完毕前，迅速加入100℃去离子水，由于液氮的沸点为-196℃，因此会产生极端温差，导致位于Ti3C2的夹层中的液氮会快速气化，而大量的去离子水会形成水封效果，使得Ti3C2的微观手风琴状结构形成密闭空间，进而引发“微***”；
(3)将步骤(2)所获得的水悬浮液，在500r/min的转速下和35℃的温度下搅拌1天，使得通过“微***”方法所获得的量子点与原材料分离且充分分散于水中；
(4)将充分搅拌的水悬浮液通过孔径为220nm的滤膜过滤，获得Ti3C2量子点的淡黄色水分散液，再对该量子点水分散液进行冷冻干燥处理，获得淡黄色Ti3C2量子点粉末。
根据本发明，步骤(2)所述整个过程只需几分钟。如果液氮完全挥发完毕，即液氮的残留量为0，则不会发生“微***”。
根据本发明，上述具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的应用，用于制备治疗癌症的药物。进一步优选，制备治疗***和乳腺癌的药物。
本发明通过一种新型的“微***”法成功制备了一种不含有毒重金属元素且无氧化的Ti3C2量子点，该量子点具有抑制及杀灭癌细胞的功能，且对人体正常干细胞无毒性影响并具有很好的生物相容性。
本发明的Ti3C2量子点对多种癌细胞具有选择性抑制及杀灭的功能。无氧化 Ti3C2量子点选择性抑制及杀灭癌细胞的作用机理是源于癌细胞内部ROS的响应，持续产生大量羟基自由基，从而对癌细胞内部细胞产生破坏，抑制癌细胞 ATP的产生，使癌细胞死亡。
本发明中涉及的ROS的响应是一种新的反应机制，不同于传统的“芬顿反应”或“类芬顿反应”，不包含任何的重金属等有毒元素。对于抗击肿瘤，这种全新的绿色健康的反应机制具有重大的意义。
本发明具有以下优势：
1、本发明的无氧化Ti3C2量子点对多种癌细胞具有选择性抑制及杀灭的功能，不含有毒的重金属元素，在对人体正常干细胞具有很好生物相容性的基础上，具有抑制及杀灭癌细胞的功能。
2、本发明的无氧化Ti3C2量子点具有很好的水分散特性，便于生物或医学上的直接应用。
3、本发明的无氧化Ti3C2量子点制备方法简单方便，除原料Ti3C2外，只有液氮和去离子水，不会引入其它杂质元素。同时，本发明创造性的采用了极低温度和热水形成的极端温差形成的“微***”，得到完全无氧化的Ti3C2量子点。成功的解决了现有技术中无法完全避免Ti3C2量子点氧化的问题。
附图说明
图1为实施例2所制备的Ti3C2量子点粉末的照片。
图2为实施例1所制备的Ti3C2基材粉末的扫描电镜图。
图3为实施例2所制备的Ti3C2量子点的透射电镜图。
图4为实施例2所制备的Ti3C2量子点XPS图。
图5为实施例2所制备的Ti3C2量子点对人体正常脂肪干细胞的细胞毒性测试图。
图6为实施例2所制备的Ti3C2量子点对***细胞的细胞毒性测试图。
图7为实施例2所制备的Ti3C2量子点对乳腺癌细胞的细胞毒性测试图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例中所述的“份”均为摩尔份数。
实施例1、原料Ti3C2(MXene)的制备
首先，在聚四氟乙烯烧杯中加入Ti3AlC2(MAX相)10份，再缓慢少量多次加入氢氟酸90份，加完后在环境温度为30℃的条件下继续保持搅拌3天，直到完全反应完全。然后，离心和多次水洗处理，直到pH值接近7。再进行真空干燥处理，获得黑色的Ti3C2基材粉末。
测试本实施例得到的Ti3C2基材的扫描电镜图，如图2所示。由图2可知， Ti3C2基材尺寸为微米级。
实施例2、“微***”法制备Ti3C2量子点
将10份二维材料Ti3C2置于聚四氟乙烯烧杯中，将50份液氮倒入烧杯中并在室温下保持3分钟。在此过程中，液氮将插层Ti3C2并伴随着不断蒸发。当烧杯中液氮的剩余量很小时，迅速加入50份100℃的去离子水。由于液氮的沸点为-196℃，因此会产生极端温差，导致位于Ti3C2的夹层中的液氮会快速气化，而大量的去离子水会形成水封效果，使得Ti3C2的微观手风琴状结构形成密闭空间，进而引发“微***”，得到水悬浮液。上述整个过程只需几分钟。(注意：如果液氮的残留量为0，则不会发生微爆。)
将所获得的水悬浮液，在500r/min的转速下搅拌1天，使得通过所获得的量子点与原材料分离且充分分散于水中。
然后，将充分搅拌的水悬浮液通过孔径为220nm的滤膜过滤，获得Ti3C2量子点的淡黄色水分散液。再对该量子点水分散液进行冷冻干燥处理可获得淡黄色无氧化Ti3C2量子点粉末。
本实施例得到的Ti3C2量子点粉末的照片如图1所示。
测试本实施例得到的Ti3C2量子点粉末的透射电镜图，如图3所示。由图3 可知，无氧化Ti3C2量子点的尺寸范围为2nm-15nm，微观形貌呈规则的圆盘形。
测试本实施例得到的无氧化Ti3C2量子点粉末的XPS图，如图4所示。得到的无氧化Ti3C2量子点Ti元素只存在Ti，Ti2+和Ti3+，不存在Ti3C2量子点被氧化后的Ti4+。这说明所获得的Ti3C2量子点呈完全无氧化状态。
实施例3、“微***”法制备Ti3C2量子点
将20份二维材料Ti3C2置于聚四氟乙烯烧杯中，将50份液氮倒入烧杯中并在室温下保持2分钟。在此过程中，液氮将插层Ti3C2并伴随着不断蒸发。当烧杯中液氮的剩余量很小时，迅速加入50份90℃的去离子水。由于液氮的沸点为-196℃，因此会产生极端温差，导致位于Ti3C2的夹层中的液氮会快速气化，而大量的去离子水会形成水封效果，使得Ti3C2的微观手风琴状结构形成密闭空间，进而引发“微***”，得到水悬浮液。上述整个过程只需几分钟。(注意：如果液氮的残留量为0，则不会发生微爆。)
将所获得的水悬浮液，在400r/min的转速下搅拌30小时，使得通过所获得的量子点与原材料分离且充分分散于水中。
然后，将充分搅拌的水悬浮液通过孔径为220nm的滤膜过滤，获得Ti3C2量子点的淡黄色水分散液。再对该量子点水分散液进行冷冻干燥处理可获得淡黄色无氧化Ti3C2量子点粉末。
实施例4、“微***”法制备Ti3C2量子点
将10份二维材料Ti3C2置于聚四氟乙烯烧杯中，将40份液氮倒入烧杯中并在室温下保持5分钟。在此过程中，液氮将插层Ti3C2并伴随着不断蒸发。当烧杯中液氮的剩余量很小时，迅速加入40份100℃的去离子水。由于液氮的沸点为-196℃，因此会产生极端温差，导致位于Ti3C2的夹层中的液氮会快速气化，而大量的去离子水会形成水封效果，使得Ti3C2的微观手风琴状结构形成密闭空间，进而引发“微***”，得到水悬浮液。上述整个过程只需几分钟。(注意：如果液氮的残留量为0，则不会发生微爆。)
将所获得的水悬浮液，在450r/min的转速下搅拌20小时，使得通过所获得的量子点与原材料分离且充分分散于水中。
然后，将充分搅拌的水悬浮液通过孔径为220nm的滤膜过滤，获得Ti3C2量子点的淡黄色水分散液。再对该量子点水分散液进行冷冻干燥处理可获得淡黄色无氧化Ti3C2量子点粉末。
试验例、本发明的无氧化Ti3C2量子点的抗肿瘤活性试验
对本发明实施例2制得的无氧化Ti3C2量子点进行了细胞毒性实验，试验方法采用先进的CCK-8法。
细胞株选用：***细胞(Hela)，乳腺癌细胞(MCF-7)，人体脂肪干细胞 (ADSCs)。以上细胞均购买于中国科学院细胞库(中国上海)。
样品液的配制：用去离子水直接分散无氧化Ti3C2量子点，浓度分别为 50μg/ml、100μg/ml、150μg/ml。以生理盐水以同样条件配制成对照组溶液。
实验结果详见图5、图6、图7。其中图5为无氧化Ti3C2量子点对人体脂肪干细胞在不同剂量用药下表现出的细胞毒性。由图5可知，无氧化Ti3C2量子点表现出很好的细胞相容性，毒性极低。
图6和图7分别为无氧化Ti3C2量子点对乳腺癌细胞和***细胞在不同剂量用药下的毒性测试，均表现出明显的抑制及杀灭作用。
因此，本发明的这种无氧化Ti3C2量子点具有选择性抑制及杀灭癌细胞的特性，可成为一种副作用极小的抗癌药物。

Claims (10)

1.一种具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点，其特征在于，该Ti3C2量子点完全无氧化，且不含有毒重金属元素；
所述的Ti3C2量子点是通过“微***”法制备得到，所述的微***是指在极端温差作用下，基于水产生的水封效果，微观物质形成密闭空间，而引发的微型***；
制备步骤如下：
将Ti3C2基材与液氮混合，使液氮插层Ti3C2并不断蒸发，在液氮蒸发完毕前迅速加入热水并不断搅拌，得到水悬浮液；将水悬浮液过滤，冷冻干燥，即得Ti3C2量子点。
2.根据权利要求1所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点，其特征在于，所述的Ti3C2量子点的尺寸范围为2nm-15nm。
3.权利要求1所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，包括步骤如下：
将Ti3C2基材与液氮混合，使液氮插层Ti3C2并不断蒸发，在液氮蒸发完毕前迅速加入热水并不断搅拌，得到水悬浮液；将水悬浮液过滤，冷冻干燥，即得Ti3C2量子点。
4.根据权利要求3所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，其特征在于，Ti3C2基材、液氮和热水的摩尔比为(10-20)：(40-50)：(40-50)。
5.根据权利要求3所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，其特征在于，热水的温度为90-100℃。
6.根据权利要求3所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，其特征在于，搅拌的速率为400-600r/min，搅拌时间为15-30h。
7.根据权利要求3所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，其特征在于，过滤采用孔径为220nm的滤膜过滤。
8.根据权利要求3所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点的制备方法，其特征在于，所述的Ti3C2基材为二维材料Ti3C2(MXene)，通过氢氟酸刻蚀MAX相Ti3AlC2中的Al层得到。
9.权利要求1所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点在制备治疗癌症药物中的应用。
10.权利要求1所述的具有选择性杀灭癌细胞功能的Ti3C2量子点在制备治疗***和乳腺癌药物中的应用。
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